行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
金屬樹脂機械性質之研究與應用
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC94-2212-E-151-017- 執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學模具工程系 計畫主持人： 李泓原 共同主持人： 楊慶煜 計畫參與人員： 黃士豪 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 95 年 10 月 5 日
一、中文摘要 金屬樹脂快速模具屬於間接造模 技術，主要應用於射出模具成型，由 於金屬樹脂模材料性質不如一般金 屬，會影響射出件的品質以及生產週 期，因此金屬樹脂的機械性質為選用 模具材料時相當重要的因素。本研究 主要探討金屬樹脂添加物為鋁粉、銅 粉以及鐵粉三種不同金屬樹脂，對抗 拉強度以及熱傳導係數的影響，以尋 找最佳金屬樹脂調配比例。 關鍵詞：金屬樹脂、快速模具 Abstract
Metal epoxy rapid tooling is used as a process in indirect tooling which is mainly applied to plastic injection mold. However, since the mechanical properties of metal epoxy tooling are inferior to metal mold, the quality of product and the production cycle will be affected. In this research, the mixing ratio of metal powder and the mixing material are investigated in the objective of better tensile strength and thermal conductivity. Results show that the mechanical properties will be changed by the two factors.
Keywords:
Metal Epoxy Tooling, Rapid Tooling. 二、前言 近 年 來 快 速 原 型 (Rapid Prototyping, RP)以及快速模具(Rapid Tooling, RT)技術在國內逐漸邁入成熟 期，隨著產品生產速度日益的增加， 快速模具的進步與應用的擴展轉變， 是以快速原型與快速模具製作的概念 轉到快速生產，如何使快速模具能夠 突破傳統，成為模具業界的新寵兒成 為國內產業界一個相當重要的課題。 快速原型製造技術模具製造方面 的應用可分為直接製模和間接製模， 主要用於製造衝壓模和鑄模等。把精 密鑄造以及金屬噴塗、放電加工、研 磨等先進模具製造技術與快速原型製 造結合起來，就可以快速地製造出各 種簡易模具和鋼模具。 在2000 年T.Nakagawa 的研究中 指出，金屬樹脂模具擁有極好的絕緣 電性及很好的機械性質，其成型精 度，仿真性，材料利用率，性能可靠 性，及價格方面均適合各種快速經濟 模具[1]。2002年，S.I.Chung等人提到 以鋁粉樹脂AFR與鐵粉樹脂CIFR進行 磨耗試驗、收縮試驗、拉伸試驗、熱 傳導試驗來比較不同的調製比例，比 較出各種機械性質，實驗結果獲得了 如何增進金屬樹脂機械性質上的強度 與改善熱傳導係數的配方，且以此實 驗結果用於實際例子來進行模具的開 發，進而決定出製作Rapid tooling 的 適合材質，結果證實可應用最佳的金 屬樹脂材料進行模具上的開發[2]。國 內，參考文獻[3-5]郭啟全曾以30％的 鋁粉以及70％的樹脂進行混合，並以 風扇及人工髖關節股骨柄為目標進行 快速模具的開發。黃國顏[6]等人則是 將金屬樹脂模具製作模具過程可能發 生的各種問題，如模具設計問題、製 程規劃問題等等列出，並且提供解決
之道。鄒貴鉅亦以螺槳葉片為產品目 標使用金屬樹脂進行模具之開發[7]。 安超群等人則研究金屬樹脂材料與傳 統鋼料在熱傳導係數上的不同[8]。柯 建宇[9]以自行調配的金屬樹脂作為電 弧噴焊的背材，以鞋模為產品開發金 屬樹脂模具。 J. Wang等人[10]曾以鋁粉加入樹 脂作為電弧噴焊的背材，研究中指出 金屬樹脂有較佳的壓應力以及價格低 廉等特性。Pedro V. Vasconcelos等人的 研究，以樹脂加入鋁粉，並再分別以 碳和玻璃纖維兩種材料加入含有鋁粉 的金屬樹脂中進行磨耗實驗以及衝擊 實驗，由磨耗實驗結果可知，含有鋁 粉的金屬樹脂再加入玻璃纖維後，可 提高金屬樹脂的耐磨性；由衝擊試驗 結果，金屬樹脂加入碳以及玻璃纖維 後，可提高些許材料韌性[11-12]。S. Chung等人的研究指出，金屬樹脂可改 善純樹脂的機械性質，且金屬樹脂模 具製作速度較優於傳統CNC所製作的 模具，對於像是製鞋業的產業，可增 進生產速度及節省成本[13]。 由於金屬樹脂的主要用途在本研 究中為模具之主要材料，一般金屬樹 脂係由原料供應商調配完成後供使用 者使用，而其所提供之調配比例無法 變更，以及其調配比例是否為最佳之 調配比例與其相對應之機械性質仍屬 未知，因此本研究將自行調配金屬樹 脂之調配比例，以不同的金屬粉末與 樹脂混合後，研究其機械性質之改 變，主要將探討在模具設計上較為重 要的機械強度以及熱傳導係數。 因此綜言之，本研究將探討不同 金屬樹脂在不同的調配比例下機械性 質之改變，將混合樹脂與不等量之金 屬粉末，使用實驗計劃法討論最佳之 機械強度與熱傳導係數。 三、實驗規劃 3-1 以田口氏實驗獲得之金屬樹脂參數 金屬樹脂成分最佳化分析，在參 考文獻[3]中所提到混合比例為 30％的 鋁粉70％的環氧樹脂做混合，但因本 實驗所使用之環氧樹脂，與文獻中所 使用的環氧樹脂有所不相同，因此期 望藉由田口氏實驗法，找出本研究使 用之環氧樹脂加入混合時鋁粉的最佳 比例，並同時加入鋁粒，以藉此提高 金屬樹脂之熱傳導係數。 3-1-1 金屬樹脂之抗拉強度 本研究將使用田口氏實驗計畫 法中的L9（34）直交表，定義影響因 子為鋁粉的含量、鋁粒的含量、金屬 樹脂的含量，在對個別因子找出三個 水準，鋁粉的含量水準設定為90%、 115%、140%，鋁粒的含量水準設定 為 0%、25%、45%，環氧樹脂的含 量水準設定為60%、50%、40%，以 進行拉伸試驗。 本研究在此實驗所獲得直交表之 結果如表1 所示，因子反應表 2 如表 所示。 Exp. 鋁粉 鋁粒 樹脂 Y1 Y2 平均 1 90% 0% 60% 2291.7 2277.8 2284.75 2 90% 25% 50% 1152.8 944.4 1048.6 3 90% 45% 40% 888.9 1013.9 918.9333 4 115% 0% 50% 1106.2 1160.9 1133.55 5 115% 25% 40% 1198.9 1322.5 1260.7 6 115% 45% 60% 1085.8 900 992.9 7 140% 0% 40% 937.5 989.6 963.55 8 140% 25% 60% 1510 2083 1710.667 9 140% 45% 50% 572.9 569 569.9667 表1、拉伸實驗所獲得直交表 鋁粉 鋁粒 樹脂 Label1 1417.428 1460.617 1662.772
Label2 1129.05 1339.989 917.3722 Label3 1081.394 827.2667 1047.728 effact 336.0333 633.35 745.4 表2、拉伸實驗因子反應表 3-1-2 金屬樹脂之熱傳導實驗 本研究所使用之熱傳導試驗機 如圖1 所示，田口氏實驗參數，與先 前拉伸實驗一致，所定義之影響因子 為鋁粉的含量、鋁粒的含量、金屬樹 脂的含量，在對個別因子找出三個水 準，鋁粉的含量水準設定為 90%、 115%、140%，鋁粒的含量水準設定 為 0%、25%、45%，環氧樹脂的含 量水準設定為60%、50%、40%，所 製作之試片如圖2 所示。 本研究在此實驗所獲得直交表之 結果如表3 所示，因子反應表如表 4 所示。 圖1、熱傳導試驗機 圖2、熱傳導實驗試片 Exp. 鋁粉 鋁粒 樹脂 K 1 90% 0% 60% 18.9 2 90% 25% 50% 35.8 3 90% 45% 40% 45.7 4 115% 0% 50% 23.8 5 115% 25% 40% 35.5 6 115% 45% 60% 36.8 7 140% 0% 40% 32.4 8 140% 25% 60% 30.3 9 140% 45% 50% 42.5 表3、熱傳導實驗所獲得直交表 鋁粉 鋁粒 樹脂 Level1 34 25 29 Level2 32 34 34 Level3 35 42 38 effect 3 17 9 表4、熱傳導實驗因數反應表 3-2 以全因子實驗獲得之金屬樹脂參數
使用粒徑為200mesh 的鋁粉、銅 粉以及鐵粉為金屬材料，使用樹脂為 FC53，進行拉伸實驗及熱傳導係數實 驗，拉伸實驗每個配方皆取三個試 片，粉末的重量比例分別為樹脂重量 的0％、20％、40％、60％、80％、100 ％以及120％。 3-2-1 金屬樹脂之抗拉強度 本研究將使用全因子實驗，探討不 同金屬粉末混合之金屬樹脂以及金屬 粉末含量的多寡對於金屬樹脂抗拉強 度的影響，並進行拉伸實驗。 本研究在此實驗所獲得之結果如 表5-7 所示。 樹脂 金屬粉末 （鋁粉） Y1 （N/mm ） Y2 （N/mm ） Y3 （N/mm ） 平均 （MPa） A 100％ 0％ 2283 2147 2416 15.78 B 100％ 20％ 2555 2335 2273 16.58 C 100％ 40％ 2526 2566 2622 18.55 D 100％ 60％ 2582 2450 2388 17.16 E 100％ 80％ 2370 2357 2443 16.59 F 100％ 100％ 1565 1606 1667 11.19 G 100％ 120％ 1442 1204 1594 9.82 表5、鋁粉金屬樹脂抗拉強度 樹脂 金屬粉末 （鋁粉） Y1 （N/mm ） Y2 （N/mm ） Y3 （N/mm ） 平均 （MPa） A 100％ 0％ 2283 2147 2416 15.78 B 100％ 20％ 2640 2712 2753 18.76 C 100％ 40％ 2907 2902 2898 20.16 D 100％ 60％ 2420 2019 2357 15.73 E 100％ 80％ 1932 1742 1974 13.07 F 100％ 100％ 1917 1735 1723 12.44 G 100％ 120％ 1625 1364 1309 9.95 表6、銅粉金屬樹脂抗拉強度
樹脂 金屬粉末 （鋁粉） Y1 （N/mm ） Y2 （N/mm ） Y3 （N/mm ） 平均 （MPa） A 100％ 0％ 2283 2147 2416 15.78 B 100％ 20％ 2381 1875 2678 16.05 C 100％ 40％ 2684 2643 1971 16.89 D 100％ 60％ 2176 2163 2327 15.43 E 100％ 80％ 1967 2123 1901 13.87 F 100％ 100％ 2696 2287 2122 16.45 G 100％ 120％ 2092 2187 2522 15.74 表7、鐵粉金屬樹脂抗拉強度 3-2-2 金屬樹脂之熱傳導實驗 實驗使用自製的小型熱傳導試驗機 （如圖3所示），基本原理係利用一端 固定加熱，另一端以固定流量的循環 水冷卻，使熱傳導試驗機上的試片產 生熱傳現象，進而獲得試片之熱傳導 係數，計算公式如下所示： x T Ka A V q Δ Δ = × = V為加熱器上所施加之電壓；A為加熱 器上所施加之電流；a為試片截面積。 試片大小為 60mm×20mm×5mm 的四方體，一般熱傳導實驗主要以一 至兩小時之加熱時間作為模擬穩態之 熱傳情況，在此實驗中因試片較小因 此以加熱時間三十分鐘作為模擬時 間，室溫控制在25℃。 本研究在此實驗所獲得之結果如 表8-10 所示。 圖3、小型熱傳導試驗機 樹脂 金屬 粉末 Y1 （W/m.K ） Y2 （W/m.K ） Y3 （W/m.K ） 平均值 （W/m.K ） 100％ 20％ 56.897 55.462 63.768 58.493 100％ 40％ 59.459 58.149 52.381 56.491 100％ 60％ 71.351 79.518 69.109 73.063 100％ 80％ 67.347 71.739 68.75 69.231 100％ 100％ 69.841 68.384 72.527 70.213 100％ 120％ 72.527 83.544 60.829 71.095 表8、鋁粉金屬樹脂熱傳導係數 樹脂 金屬 粉末 Y1 （W/m.K ） Y2 （W/m.K ） Y3 （W/m.K ） 平均值 （W/m.K ） 100％ 20％ 52.381 53.878 44.595 49.937 100％ 40％ 50.19 43.279 45.206 46.047 100％ 60％ 80 83.189 78.107 80.325 100％ 80％ 67.692 66 81.482 71.095 100％ 100％ 111.864 100 97.058 102.591 100％ 120％ 75 58.149 72.131 67.577 表9、銅粉金屬樹脂熱傳導係數 樹脂 金屬 粉末 Y1 （W/m.K ） Y2 （W/m.K ） Y3 （W/m.K ） 平均值 （W/m.K ） 100％ 20％ 58.407 61.682 66 61.875 100％ 40％ 45.051 44.147 44.595 44.595 100％ 60％ 51.163 46.809 62.559 52.729 100％ 80％ 65.367 89.189 73.743 74.858 100％ 100％ 67.347 66.332 69.109 67.577 100％ 120％ 68.041 56.41 69.474 64.078 表10、鐵粉金屬樹脂熱傳導係數 四、結果與討論 4-1 以田口氏實驗獲得之金屬樹脂參數
4-1-1 抗拉強度 本研究針對田口氏實驗法所獲 得之金屬樹脂拉伸實驗的結果可得 出以下幾點結論： 1. 由拉伸試驗之因子反應表如表 所示，可以看出，鋁粉含量增加 時其強度越低，鋁粒含量增加時 強度有大幅度的降低，環氧樹脂 含量增加時其強度有明顯的提 高。 2. 由田口氏實驗所得之最佳組合 參 數 為 重 量 比 鋁 粉 含 量 為 90 ％、鋁粒0％、環氧樹脂含量 60 ％。 3. 由因子反應表可以看出，本研究 此次實驗水準的選擇不正確，因 本次實驗的因子反應圖可以看 出，個別因數都未呈現最高反折 點的趨勢，因此經由修正後重新 進行實驗，結果如3-1-3。 3-1-2 熱傳實驗 本研究針對田口氏實驗法所獲 得之熱傳導實驗結果可得以下幾點 結論： 1. 田口氏所獲得之最佳比例參數 為重量比，鋁粉140％、鋁粒 45 ％、還氧樹脂40％。 2. 田口氏所獲得之比例參數，在造 模具情況下，是不能被採用的， 其原因為，硬化後結構過於鬆 散，黏稠度過高模具成形不易。 4-1-3 調配比例修正實驗 由抗拉強度試驗與熱傳導實驗之 實驗結果可以看出，只要是含有鋁粒 的拉伸試棒，其抗拉強度都會有很明 顯的下降，對模具之強度而言有極大 的影響。因此嘗試在調配配方比例參 數中，將鋁粒剔除，僅考慮鋁粉與環 氧樹脂的搭配比例，使鋁粉重量比例 分別為環氧樹脂的40%、60%、80%、 100%、120%，每支試棒做兩支，以確 認是否將其外干擾因數降最低。實驗 結果如圖4 所示。 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 140% 圖4、拉伸實驗的結果 由實驗結果可知，當環氧樹脂重量 固定時，加入不同重量比例的鋁粉， 此時可發現金屬樹脂的強度在鋁粉是 比例 80％以下是呈現線性變化，當鋁 粉比例超過 80％時金屬樹脂強度會有 下降的趨勢，因此便可確定金屬樹脂 強度的最佳混合比例為，環氧樹脂加 入樹脂 80％重量的鋁粉，以此混合比 例即可獲得最佳強度的金屬樹脂。 4-2 以全因子實驗獲得之金屬樹脂參數 4-2-1 抗拉強度 本研究針對全因子實驗所獲得 之金屬樹脂拉伸實驗的結果可得出 以下幾點結論： 1. 由拉伸試驗之結果如圖 5 所示， 可以看出金屬粉末含量增加時 其強度越低，粉末含量在40％時 可得最大的抗拉強度。 2. 由於混合鐵粉之金屬樹脂，粉末 與樹脂結合力不高造成粉末容 易沉澱，使得試片中金屬粉末分 布不均，造成抗拉強度偏低並且 在粉末含量超過 80％時強度會 突然提高。 4-2-2 熱傳導係數 本研究針對全因子實驗所獲得 之熱傳導實驗結果可得以下幾點結
論： 1. 由熱傳導試驗之結果如圖 6 所 示，可以看出金屬粉末含量增加 時其熱傳導性較佳，銅粉粉末含 量在100％時可得最高的熱傳導 係數。 2. 由於混合鐵粉之金屬樹脂，粉末 與樹脂結合力不高造成粉末容 易沉澱，使得試片中金屬粉末分 布不均，造成熱傳導性偏低。 0 % 2 0 % 4 0 % 6 0 % 8 0 % 1 0 0 % 1 2 0 % 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 MP a P o w d e r / E p o x y % A l C u F e 圖5、拉伸實驗結果 2 0 % 4 0 % 6 0 % 8 0 % 1 0 0 % 1 2 0 % 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 K P o w d e r / E p o x y % A l C u F e 圖6、熱傳導實驗結果 五、結論 本計劃主要針對不同於柯建宇[9] 所使用之樹脂與金屬粉末來探討其機 械性質，由實驗結果可得知本次實驗 所使用之樹脂與柯建宇所使用之樹脂 不同，兩者間與金屬粉末結合力的差 異造成實驗結果的不同。本次實驗所 使用的樹脂抗拉強度較強，但由圖 5 所示，在粉末含量超過 40％時曲線會 有明顯下降，而由熱傳導實驗結果可 得知約在 60％金屬粉末含量時有較佳 的熱傳導係數，因此在選用金屬樹脂 時需考慮產品所需特性，再選擇較適 合使用的金屬樹脂。 本計畫開發與研究之成果，可 獲得不同金屬粉末之金屬樹脂的機 械性質，而本計畫所研究之製程中仍 有許多需要改進的地方，在未來的研 究過程中將逐一改善，使金屬樹脂能 夠被業界接受使用。 參考文獻 1. T. Nakagawa，”Rapid Prototyping in Japan”，Proceedings of the Eighth International Conference on Rapid Prototyping，2000，pp.1-16
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